سفر به درون باتری با اشعه ایکس
آنها معتقدند با بهبود عملکرد چرخه و بازده باتری جدید می‌توانند از آن در اتومبیل‌های برقی و میکروگریدها استفاده کنند.
باتری‌ها عمل ذخیره انرژی را از طريق واكنش‌های شيميايی بين الكترودهای فلزی و مايع الكتروليت انجام می‌دهند. از آنجا كه اين مواد شيميايی برای واكنش به زمان احتياج دارند، عمليات ذخيره سازی و آزادسازی انرژی به نسبت كند انجام می‌پذيرد. در نتيجه باتری‌ها انرژی زيادی ذخيره می‌كنند و آن را با مصرف مدت زمان نسبتا طولانی آزاد می‌كنند.
پژوهشگران دانشگاه ویسکانسین-مدیسون و آزمایشگاه ملی بروکهاون به دنبال روش بهبود ذخیره‌سازی انرژی، برای استفاده در لوازم الکترونیکی قابل حمل تا میکروگریدهای الکتریکی هستند. آنها در تحقیق جدید خود از تکنیک تصویربرداری اشعه ایکس برای تجسم و مطالعه واکنش‌های الکتروشیمیایی در باتری‌های لیتیوم یونی قابل شارژ حاوی یک نوع ماده جدید، فلوراید آهن، استفاده کردند.
سانگ جین، استاد شیمی دانشگاه ویسکانسین-مدیسون و وابسته به موسسه انرژی ویسکانسین در این باره می‌گوید: «فلوراید آهن پتانسیل این را دارد که بتواند سه برابر مقدار انرژی یک باتری لیتیوم یون معمولی را ذخیره کند. با این حال، ما باز هم می‌توانیم از پتانسیل واقعی آن بهره‌برداری بیشتر کنیم.»
دانشجوی کارشناسی ارشد، لینسن لی با کمک جین و دیگر همکارانشان به انجام آزمایش‌هایی توسط فناوری جدید انتقال میکروسکوپیک اشعه ایکس در مرجع نوری سینکروترون ملی در بروکهاون می‌پردازند. آنها نقشه شیمیایی باتری‌های سلول واقعی پر شده از فلوراید آهن را در طول چرخه شارژ و دشارژ باتری جمع آوری کردند تا چگونگی و کیفیت عملکرد آنها را تعیین کنند. نتایج به دست آمده به تازگی در مجله نیچر کامیونیکیشن منتشر شد.
لی می‌گوید:« در گذشته، ما قادر به درک آنچه در طی واکنش‌های باتری بر سر آهن فلوراید اتفاق می‌افتد نبودیم به این دلیل که اجزای دیگر باتری روی تصویر تاثیر می‌گذاشتند و باعث می‌شدند که تصویر دقیقی به دست نیاوریم.»
لی توانست با در نظر گرفتن سیگنال‌های پس زمینه‌ای که باعث مغشوش شدن تصویر می‌شوند، آن دسته از تغییرات شیمیایی را که بر فلوراید آهن تاثیر می‌گذارند تا عمل ذخیره و تخلیه انرژی صورت بپذیرد را در مقیاس نانو و به دقت مشاهده و اندازه‌گیری کند.
تا کنون، استفاده از فلوراید آهن در باتری لیتیوم یون قابل شارژ دانشمندان را با دو چالش مواجه کرده است. اول این که این باتری در شکل کنونی خود قادر نیست به خوبی شارژ شود.
لی در این مورد می‌گوید: « این درست مانند این است که تلفن‌های هوشمند تنها تا نصف شارژ بار اول قادر به شارژ شدن باشند، و حتی به مرور زمان این مقدار کمتر نیز شود. مصرف کنندگان ترجیح می‌دهند که یک باتری قادر باشد به طور مداوم طی صدها چرخه شارژ شود.»
جین و لی در روش جدید تصویربرداری اشعه ایکس خود تحول فلوراید آهن در باتری را در مقیاس نانو بررسی کردند. آنها هر واکنش را به طور مجزا مورد تحلیل قرار دادند تا علت فروپاشی ظرفیت و خراب شدن باتری را درک کنند.
لی می‌گوید: «با تجزیه و تحلیل داده‌های اشعه ایکس در سطح نانو، ما قادر شدیم واکنش‌های الکتروشیمیایی را با دقت بسیار بیشتر از روش قبلی پیگیری کنیم، و به این ترتیب مشخص شد هنگامی که فلوراید آهن یک میکروساختار متخلخل داشته باشد بهتر عمل می‌کند.»
چالش دوم این است که مواد باتری فلوراید آهن انرژی را به اندازه مقدار ذخیره شده تخلیه نمی‌کنند و باعث کاهش بازده انرژی می‌شوند. این مطالعه دیدگاه‌های اولیه نسبت به حل این مشکل را به همراه داشت و جین و لی در حال برنامه‌ریزی برای مقابله با این چالش در آزمایش‌های آینده هستند.
برخی از نتایج این پژوهش مانند استفاده طولانی‌تر از دستگاه‌های قابل حمل الکترونیکی پیش از نیاز مجدد به شارژ، آشکار هستند اما جین محدوده بزرگتر و گسترده تری از کاربردها را برای این باتری جدید پیش‌بینی می‌کند.
جین می‌گوید: «اگر ما بتوانیم عملکرد چرخه و بازده باتری لیتیوم یون فلوراید آهن کم هزینه که موادش به وفور یافت میشود را به حداکثر برسانیم، قادر به پیشبرد فناوری ذخیره ساز انرژی‌های تجدید پذیر مقیاس بزرگ برای اتومبیل‌های برقی و میکروگریدها خواهیم بود.»
جین همچنین معتقد است که تکنیک تصویربرداری اشعه ایکس، مطالعات دیگر تحولات حالت جامد را تسهیل می‌کند و فرآیندهایی مانند آماده سازی سرامیک‌های معدنی و سلول‌های خورشیدی فیلم نازک را بهبود می‌بخشد.
در باتری لیتیوم یونی معمولی که از خانواده باتری‌های قابل شارژ است، در زمان تخلیه، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن وارونه حرکت می‌کنند. این باتری‌ها چگالی انرژی بالایی را فراهم می‌کنند که تقریبا دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتری‌های نیکل‌ـ کادمیم است و نیز به دشارژ کامل نیاز ندارند. همچنین می‌توان از جریان بالاتری برای شارژ و دشارژ بدون آسیب به باتری استفاده کرد و در هنگام دشارژ افت پتانسیل کمی دارند. تقریبا می‌توانید در هر زمانی یک باتری لیتیم -یونی را بی آنکه روی کارآیی آن تاثیر بگذارد شارژ کرد، اما چون باتری‌های لیتیم ـ یون معمولا دارای طول عمر شارژ-دشارژ هزار چرخه‌ای هستند اگر زود به زود و قبل از تخلیه کامل، این باتری شارژ شود طول عمر باتری پایین می‌آید. همچنین در صورت ادامه شارژ پس از پر شدن، باتری آسیب دیده و از عمر آن کاسته میشود به همین دلیل برای شارژ آنها از مدارهای محافظ هوشمند استفاده میشود تا پس از پر شدن جریان شارژ قطع شود. با آنکه بسیاری از سازندگان باتری‌های لیتیم ـ یونی طول عمر باتری را تا سه سال ذکر می‌کنند اما اکثر مصرف کنندگان طول عمر آن را تا ۱۸ ماه گزارش کرده‌اند.
No tags for this post.
